供稿人：李鳴杰、王富 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2022-06-16
增材制造作為一種將坯料制造、零件成型和后處理等工藝集成的一體化制造技術(shù)，具有極高的材料成分與工藝的可設(shè)計(jì)性。激光粉末床熔融工藝（L-PBF，Laser-Powder Bed Fusion），由于其技術(shù)發(fā)展較為成熟和以粉末作為原料的優(yōu)勢，非常適用于組織可控的異質(zhì)合金制備。而鈦合金作為一種具有較高比強(qiáng)度、耐腐蝕性和耐熱性的輕質(zhì)合金被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件，但由于其強(qiáng)度和塑性無法兼得使其應(yīng)用受到一定的限制。
香港城市大學(xué)的劉錦川院士團(tuán)隊(duì)為了制備高強(qiáng)度、高延伸率的鈦合金，通過混合了兩種商業(yè)粉末Ti64（Ti-6Al-4V）和316L（67.5Fe-18Cr-12Ni-2.5Mo，wt%）制備出了組織可控的高強(qiáng)鈦合金。研究發(fā)現(xiàn)，宏觀上均勻混合的兩種粉末在打印成型后依舊保持宏觀上不同熔池的均勻一致性，但是在熔池間微米級(jí)層面上存在元素和組織梯度分布，如圖1所示，在鈦合金中形成雙相（α′和穩(wěn)定相β）微結(jié)構(gòu)。
圖1 打印態(tài)Ti64-(4.5%)316L合金元素梯度變化和組織微結(jié)構(gòu)
究其機(jī)理，一方面，316L中的Fe、Cr、Ni和Mo元素可以有效細(xì)化晶粒，實(shí)現(xiàn)細(xì)晶強(qiáng)化提高強(qiáng)度。另一方面，3D打印的快速凝固特性導(dǎo)致元素?cái)U(kuò)散不充分，形成低濃度316L的合金區(qū)和高濃度316L的合金區(qū)。其中，低濃度316L促進(jìn)β相向α′的馬氏體相變，而高濃度316L則為穩(wěn)定β相，進(jìn)而形成α′相和β相交織的微觀組織。這種微觀組織具有相變誘導(dǎo)塑性（TRIP）效應(yīng)，即在外部載荷下通過漸進(jìn)的相變提高合金塑性，從而使其延伸率提高，同時(shí)起到加工硬化增強(qiáng)作用，如圖2所示。Ti64-(4.5%)316L具有超過1.3GPa的拉伸強(qiáng)度和9%的延伸率，以及300MPa的加工硬化作用。
圖2 不同316L添加量的鈦合金拉伸強(qiáng)度和延伸率
通過巧妙地結(jié)合316L和Ti64兩種粉末進(jìn)行異質(zhì)合金增材制造，形成組織和微結(jié)構(gòu)可控，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度和塑性的同步大幅度增強(qiáng)，大大降低了常規(guī)合金設(shè)計(jì)需要重新制備粉末的成本，推動(dòng)“材料-結(jié)構(gòu)-性能”的一體化智能設(shè)計(jì)發(fā)展。